Схема замещения соединителей и коммутационных устройств.

Для анализа свойств соединителей и коммутационных устройств, контактных и бесконтактных, удобно пользоваться схемой за­мещения для замкнутого и разомкнутого состояний. Схема долж­на содержать как основные элементы, в которых отображается функциональное назначение, так и элементы, определяющие па­разитные параметры.

На рис. приведена схема замещения для замкнутого со­стояния, на которой LK—общая индуктивность контакта; Скз — общая емкость относительно земли; Rп — переходное сопротив­ление; Rк-д — сопротивление контакт-деталей; сумма сопротив­лений Rп + Rк-д составляет сопротивление контакта Rк, которое незначительно отличается от Rп.

На рис. приведена упрощенная схема замещения для разомкнутого состояния. Здесь Cкз и С"kз — емкости относи­тельно земли каждого контакта; Rиз — сопротивление изоляции; Ск — емкость разомкнутых контактов. На высоких частотах в емкостях Скз и Ск могут происходить заметные потери. Если коммутируемое устройство или соединитель размыкают (соеди­няют) несколько цепей, то необходимо учитывать паразитные емкости и сопротивления изоляций между разными контактными парами, что на схемах замещения не показано, поскольку для упрощения они даны для одной цепи [2]. В замкнутом состоя­нии в местах соприкосновения поверхностей возникает контакт­ная ЭДС. На схеме замещения для упрощения она не показана, ее можно представить как источник ЭДС, включенный в цепь.

Все параметры коммутационных устройств и соединителей имеют случайные отклонения и должны рассматриваться как случайные величины. Кроме того, их параметры также случайно изменяются под действием температуры, механических воздей­ствий, влажности и т. п. Важной характеристикой также являет­ся способность к длительному функционированию, причем ис­пользование λ-характеристик не дает полного представления об этом. При длительном функционировании возникают сложные физические процессы, характеризующиеся случайными измене­ниями параметров во времени.

 

КОНТАКТНЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА И СОЕДИНИТЕЛИ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНТАКТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

 

Разновидности контактных коммутационных устройств и соеди­нителей. В контактных устройствах обеспечивается протекание тока в результате механического соединения или соприкосно­вения двух металлических деталей (контакт-деталей) и прекра­щение протекания тока при разъединении или устранении соприкосновения этих деталей. Основной характеристикой является контактное сопротивление.

Электрический контакт используется в следующих коммута­ционных устройствах ручного и дистанционного управления и соединителях: коммутационные контактные устройства ручного управления — нажимные (кнопки), перекидные (тумблеры), движковые (микропереключатели), поворотные (галетные переключатели)—могут быть однополюсными (коммутирующими одну цепь) и многополюсными; коммутационные контактные устрой­ства дистанционного управления — электромеханические реле, магнитоуправляемые контакты (герконы); контактные разъем­ные соединители — приборные (соединяют съемные модули или типовые элементы замены — ТЭЗ между собой), приборно-кабельные (соединяют разные части аппаратуры), кабельные (соеди­няют кабели).

Контактные коммутационные устройства и соединители име­ют разные конструкции, могут быть нормализованными, изго­тавливаться на специализированных заводах или частного при­менения, когда проектирование и изготовление ведется на аппаратостроительных заводах.

Основные особенности контактных устройств. Как известно, явление проводимости металлов состоит в том, что благодаря наличию свободных электронов создаются благоприятные усло­вия для протекания тока. Физические процессы, которые наблю­даются при протекании тока по соединению металлических тел, гораздо сложнее, чем в металлах. Действительно, при механи­ческом соприкосновении двух металлов, как правило, не может произойти такое их сближение, при котором внутренние струк­туры соединяются, образуя единое целое для прохождения тока. Это происходит потому, что поверхности металлов, даже тща­тельно обработанные, имеют шероховатости, размер которых значительно превышает размер молекул и атомов металлов, а также потому, что в результате воздействия окружающей среды они никогда не бывают абсолютно чистыми. На поверхностях адсорбируются молекулы кислорода и других газов, многие ме­таллы вступают во взаимодействие с газами окружающей среды (кислородом, парами воды, сернистыми газами).

Контакт между двумя металлами схемотехнически показан на рис., где 1, 4 — металлические тела, имеющие шерохо­ватость поверхности; 2 — точки соприкосновения металлических поверхностей через тонкие поверхностные пленки, в которых реализуются другие виды проводимости; 3 — пленки на их по­верхности; 5 — точки прямого соприкосновения металлов, в ко­торых удалены пленки, но присутствует одноатомный слой адсорбированных газов — в этих точках обеспечивается металли­ческая проводность; 6 — разрушенные пленки.

Процессы в контакте между двумя металлами усложняются в результате процессов прохождения токов через тонкие пленки и соединения металлов в локальных точках вследствие: тепловых

процессов, связанных с местными пе­регревами; плавления металлов в точ­ках, где нагрев достигает температуры плавления; процессов образования дуги и пробоя; механических процес­сов деформации выступов на поверх­ности контакт-деталей; изменения ме­ханических свойств поверхностей ме­талла из-за наклепа и разрушений; химических процессов, связанных со взаимодействием металлов с кислородом, парами воды и сернистыми соединениями. В связи с изложенным в протекании тока через контакт участвуют многие виды проводимостей (не только металлической), которые будут рассмотрены ниже.

Все эти процессы определяют основные параметры контакт­ных коммутационных устройств и соединителей, в том числе за­кономерности изменения их свойств при длительном функциони­ровании и надежность. При конструировании контактных уст­ройств необходимо учитывать эти сложные процессы, иначе контактное устройство не сможет обладать требуемыми парамет­рами, окажется нестабильным и малонадежным.

Особенности конструкций контактных коммутационных устройств и соединителей. В состав контактного устройства поми­мо контакт-деталей входит много конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности создать закон­ченное в конструктивном и технологическом отношении устрой­ство, способное выполнять определенные функции. Рассмотрим основные конструктивные элементы.

Элементы, создающие нажатие. Для осуществления электри­ческого контакта требуется, чтобы металлические поверхности соприкасались с определенным контактным нажатием. В кон­струкции должны быть предусмотрены такие элементы, напри­мер пружины различных конструкций. Они определяют основные параметры контактного устройства: контактное сопротивление, его стабильность и надежность.

Изоляционные основания. Контакт-детали должны быть меха­нически укреплены и в то же время электрически изолированы друг от друга так, чтобы было возможно их механическое со­единение (контакт) и разъединение. Для этого используются изготовленные из специальных материалов изоляционные осно­вания разных конструкций, в которых осуществляется установка и крепление контакт-деталей. Конструкция и точность изготов­ления изоляционных оснований могут влиять на значение кон­тактного нажатия и его стабильность, что имеет важное значение для правильного функционирования электрического контакта в течение длительного времени.

Элементы перемещения и фиксации. В контактных устрой­ствах соединение возникает в результате механического пере­мещения контакт-деталей, что требует создания специальных

элементов конструкций, обеспечивающих необходимые пределы и точность перемещения.

Элементы конструкции, обеспечивающие защиту контакт-дета­лей от воздействия окружающей среды. Работоспособность и ха­рактеристики контактного устройства зависят от состояния кон­тактирующих поверхностей, наличия на них пленок и т. д. Окру­жающая РЭА среда содержит пыль, влагу, различные газы и неизбежно влияет на состояние контактных устройств, их харак­теристики и свойства.

Элементы крепления. Контактные устройства должны быть механически установлены в конструкции РЭА и электрически соединены с монтажом. Поэтому в их конструкции должны быть предусмотрены элементы крепления и элементы, обеспечивающие включение в электрическую схему.

Как видно, контактные коммутационные устройства и соеди­нители состоят из многих деталей, подвергаются сложной сборке и во многих случаях могут быть разобраны (например, при ре­монте). Но они являются элементами РЭА в том смысле, как это было сказано в гл. 1. Их следует относить к элементной базе РЭА, так как конструктор РЭА применяет их как готовые конструкции и не должен подвергать переделке. В том случае, если они проектируются и изготавливаются на аппаратостроительных предприятиях, конструктор РЭА рассматривает их как нормализованные сборочные единицы. Задача состоит в том, чтобы конструктор РЭА знал основные параметры и характе­ристики контактных устройств для обеспечения правильного вы­бора и использования при конструировании аппаратуры. Знание основных свойств полезно также в том отношении, что создает основу для конструирования контактных соединителей и комму­тационных устройств.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТАХ

 

Материал контакт-деталей и влияние воздействий. На качест­во контакта влияют следующие факторы: физико-химическое со­стояние контактирующих поверхностей, т. е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхно­стей; процессы, происходящие при соединении, которые могут быть чисто механическими (при отсутствии тока); протекающий ток и количество выделяющегося тепла; процессы, происходя­щие в контакте при замыкании и размыкании при наличии то­ков и напряжений. Рассмотрим подробнее действие этих фак­торов.

Из-за наличия в окружающей среде кислорода, паров воды, различных примесей и при повышении температуры на поверх­ности металлов протекают электрохимические процессы и обра­зуются пленки, свойства которых зависят от металла контакт-деталей.

Самыми распространенными элементами окружающей среды являются кислород и азот. Кислород очень быстро адсорбирует­ся на поверхности любого металла, образуя тонкую одноатом­ную пленку, «сцепленную» с атомами металла. Атомы благо­родных металлов (золота, платины и др.) в обычных условиях химически не соединяются с кислородом.

У других металлов, например, у серебра, в зависимости от температуры с той или иной скоростью происходит газовая кор­розия и образуется пленка, чаще всего окисная, препятствую­щая дальнейшему проникновению кислорода вглубь металла и останавливающая процесс коррозии. Такие пленки обладают вы­соким сопротивлением и называются пассивирующими. Во мно­гих случаях они не мешают прохождению тока, так как явля­ются очень тонкими.

В некоторых конструкциях контактных устройств перед соеди­нением эта пленка разрушается.

У ряда металлов, например, алюминия и меди, образуются рыхлые пленки, не препятствующие проникновению кислорода вглубь металла и являющиеся многомолекулярными. Они назы­ваются пленками потускнения или пленками побежалости. Их толщина может увеличиваться со временем в зависимости от температуры.

Повышение температуры способствует образованию пленок, однако, при достижении определенного ее уровня может произой­ти их разрушение. Например, на серебре при температуре 150 ... ... 200°С пленка легко диссоциируется (разлагается). Этим и обусловлена возможность пайки по серебру без флюса и ее высокое качество. На некоторых металлах пленки очень теп­лостойкие, например на алюминии пленка разрушается при температуре 3000°С. Этим объясняются трудности пайки даже, при использовании флюсов.

Пленки могут обладать разной механической прочностью в зависимости от металла. Они могут быть механически проч­ными, хрупкими (например, на алюминии) или эластичными (например, на меди). Это имеет большое значение для работы контактного устройства, так как определяет условия, при ко­торых происходит разрушение пленок при соединении. Часто в окружающей среде содержатся газообразные фракции серни­стых соединений, что приводит к образованию сульфидных пле­нок, отличающихся большой толщиной и прочностью. Пленки могут осаждаться на поверхности в связи с испарением орга­нических соединений и диэлектриков, находящихся рядом с кон­тактным устройством.

Обычно при попадании охлажденной аппаратуры в среду с повышенной температурой происходит конденсация паров воды на поверхность контактов и образование «ледяных» пленок. Эти пленки оказываются механически прочными, и их трудно разрушить при соединении контактов, что является причиной резкого недолговременного снижения надежности контактных устройств на время, пока аппаратура прогреется и пленки испа­рятся. Из-за наличия паров воды в окружающей среде проис­ходит электрогальваническая коррозия и образуются коррози­онные пленки. Прохождение токов через контактирующие ме­таллические поверхности может быть обусловлено различным ха­рактером проводимости.

 

Металлическая проводимость на­блюдается в тех точках, в которых вследствие трения или удара происхо­дит разрушение всех пленок, а также при использовании благородных ме­таллов, на «которых пленки не образу­ются. В этом случае токи протекают при любых напряжениях.

Если металлы, в которых всегда су­ществует высокая концентрация сво­бодных электронов, разделены тонким слоем полупроводника или диэлектри­ка (пленками), то для перехода из одного металла в другой электроны должны преодолеть потенциальный барьер. Однако при достаточно тонких пленках могут возникнуть условия, при которых часть свободных электронов из одного металла переходит в другой вследствие так называемого туннель­ного эффекта. Согласно представлени­ям квантовой механики электрон мо­жет перейти из одного металла в дру­гой, когда его энергия меньше высоты потенциального барьера и если во втором металле есть свобод­ный энергетический уровень с такой же энергией.

Туннельная проводимость играет существенную роль при тон­ких (пассивирующих) пленках и при малых токах (напряже­ниях). Для примера на рис. дана зависимость удельного сопротивления р от толщины пленки d^ и подведенного к кон­тактному устройству напряжения С/к для металлов с работой выхода 4 эВ.

Если имеют место тонкие пассивирующие пленки, наблюдает­ся также проводимость, обусловленная фриттинг-эффектом сущ­ность которого состоит в том, что при наличии напряжения на контактах, разделенных тонкой пленкой, возникают высокие на­пряженности поля. Как известно, напряженность поля опреде­ляется из выражения

где dun — толщина однородной пленки.

Например, при толщине пленки (5 ... 15)-КН0 м и напря­жении 1 В напряженность поля составляет 107 В/см. При та­кой напряженности во многих точках возникает пробой диэлек­трика, сопровождающийся расплавлением металла и образова­нием токопроводящих «мостиков». Из этого следует, что для надежной коммутации слаботочных цепей можно использовать контакты из благородных металлов, которые при обычных усло-

виях не имеют пассивирующих пленок, или герметизировать контакты.

Металлы, которые покрываются пассивирующими пленками, особенно при высоких температурах, не могут быть использо­ваны для маломощных контактов, но с успехом могут приме­няться в контактах, где коммутируются большие токи и напря­жения. Металлы, покрывающиеся толстыми пленками, вообще не пригодны для осуществления надежного контакта. Как видно, требования к материалам тем жестче, чем меньше напряжение и ток, выше температура и больше загрязненность атмосферы. По изложенным причинам выбор материала контакт-деталей требует учета многих факторов и вызывает большие трудности.

Механический износ. Большое влияние на работу контактных устройств в отсутствие тока оказывает механический износ кон­тактирующих поверхностей. Износ может быть абразивным в результате выработки поверхности из-за трения и усталости поверхностных слоев. Если для защиты контактных поверхностей от пленок контакты в некоторых конструкциях, рассчитанных на малое число соединений, покрываются коррозионно-стойкими ме­таллами (серебро, золото, платина), то при многократном пере­ключении контактов это покрытие разрушается.

Тепловые явления при контактировании. При протекании тока через контактное устройство в месте контакта происходит вы­деление тепловой энергии и перегрев контакта по сравнению с температурой окружающей среды.

Общая температура перегрева зависит от потерь в точках контактирования и в теле контакта при прохождении по нему тока, а также от температуры окружающей среды. Для иллю­страции на рис. 3.28 показана идеализированная конструкция контактного устройства, состоящего из двух цилиндрических кон­тактов, соприкасающихся торцами. На рисунке видны две зоны перегрева, имеющие температуры перегрева АГК в точках кон­тактирования и АГТ в теле контакта. Температуру перегрева тела контакта ДГТ относительно температуры окружающей сре­ды У окр можно представить как сумму

Процессы при размыкании и замыкании при наличии напря­жений (токов). Наиболее сложные электрические и механические процессы в контактных устройствах возникают в динамическом режиме, когда соединение происходит при наличии токов и на­пряжений. При малых токах и напряжениях (порядка микро­вольт и микроампер) влиянием электрических процессов на ра­боту контактного устройства можно пренебречь. Однако, когда коммутируемые токи и напряжения достаточно велики, они ока­зывают существенное влияние на работу контактных устройств.

Процесс замыкания происходит сравнительно просто. По мере

сближения контакт-деталей воздушные промежутки пробивают­ся напряжением, действующим в цепи. Этот пробой существен­но не влияет на работу контактного устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, так как контакты продолжают сближаться до соприкосновения.

Более сложные процессы происходят при размыкании кон­такт-деталей, и надежность контактов при частом размыкании^ ухудшается. При определенном соотношении между током и напряжением при размыкании возникает дуга, сопровождаю­щаяся переносом металла с одной поверхности контакт-детали на другую и его потерей, появлением неровностей на^ поверх­ностях контактов и образованием пленок из-за высокой темпе­ратуры. Это так называемая дуговая эрозия контактов.

Возникновение дуги определяется тем, что при разведении контакт-деталей возникает значительная напряженность электри­ческого поля. В результате происходит образование дуги, кото­рая не исчезает и при дальнейшем раздвижении контактов в результате сильной ионизации. Условия образования дуги за­висят от многих факторов: металла контакт-деталей, значений напряжений и токов, состава окружающей среды, состояния кон­тактирующих поверхностей, наличия емкостей и индуктивностей в электрической цепи. Загрязнение окружающей среды и на­личие индуктивностей в цепи облегчают возникновение дуги и ухудшают работу контактного устройства.

Характеристики дугообразования для незагрязненной окру­жающей среды, чистых поверхностей и при отсутствии индук­тивностей и емкостей в цепи известны. В первом приближении справедливо выражение для условия дугообразования:

где [7Д и /д — минимальные значения напряжения и тока дуги; U и / — напряжение и ток в цепи; &д— коэффициент, завися­щий от скрытой теплоты испарения контактов.

На рис. 3.29 показаны области образования дуги для не­которых металлов. Обычно £/д=8 ... 25 В, /д=0,5 ... 1,3 А. Так, например, для серебра £/д=8 В, /д=0,9 А; для золота [/д=25 В, /д=0,5 А; для меди £/д=25 В, /д=1,3 А. Эти зна­чения указывают границы, в пределах которых следует учиты­вать явление дуговой эрозии.

Если ток и напряжение в цепи меньше [7Д и /д, то дуга не образуется, когда в цепи нет индуктивности. Если в цепи есть индуктивность, то после резкого изменения тока, связан­ного с размыканием, на ней создается большое напряжение f/к.разм, которое практически оказывается приложенным к раз­мыкаемому промежутку. Поскольку £/к.разм>£/р, то происходит пробой воздушного промежутка между контакт-деталями. Чем больше коммутируемый ток и индуктивность, тем легче возни­кает дуга. Очевидно, что этот эффект не наблюдается в соеди-

нителях, которые сочленяются и расчленяются в нерабочем состоянии аппаратуры.

При малых токах и напряжениях при размыкании не обра­зуется дуги, но происходит мостиковая эрозия. Из-за шерохо­ватости поверхности при размыкании контактов все больше и больше контактных точек перестает контактировать. При этом возрастает переходное сопротивление и падение напряжения на нем, а плотность тока в точках контактирования достигает 1000 А/см2. Мощность, выделяемая в контакте, резко увеличи­вается и рассеивается в нескольких точках, где металл начинает плавиться. Контактирующие поверхности продолжают расходить­ся, металл «тянется» до тех пор, пока механически не раз­рушается. На поверхности остаются «столбики», которые из-за повышенной температуры окисляются. Постепенно поверхность разрушается. Для каждого металла характерно определенное напряжение, при котором наблюдается плавление при размы­кании. Значения напряжений и температур плавления для не­которых металлов приведены в табл. 3.1. Напряжение меньшее 0,3 В практически не создает условий для мостиковой эрозии.